第3章 金属的塑性成形

定义：利用外力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材或锻压件的加工方法。两个条件：外力、塑性，缺一不可

优点：金属组织致密、晶粒细小、力学性能提高；

属于少、无切削加工，材料利用率高，生

产效率高。缺点：制件形状比铸件简单，生产条件较差应用：金属材料生产承受较大负荷或复杂载荷的机械零件第三篇金属压力加工金属压力加工基本生产方式：锻造手工锻造自由锻冲压冲裁拉深弯曲缩口起伏翻边胀形模锻胎模锻机器锻造落料冲孔轧制拉拔挤压压力加工第一节金属塑性变形的实质1．单晶体的塑性变形以理想单晶体为例（无缺陷、晶格规则）

滑移：金属原子沿一定的晶面产生相对移动

(即金属原子在外力的作用下产生了一定的位移）第一章金属的塑性变形滑移通常是通过位错的移动来实现的。

结论：金属塑性变形的实质是原子发生了移动，

塑性变形前后晶格类型保持不变。2．多晶体的塑性变形

多晶体的塑性变形＝（晶内变形+晶间变形)

晶内变形：主要通过位错运动实现滑移方式

晶间变形：晶粒间的相对滑动和转动各晶粒的变形是分批、逐步进行的

（低温时多为晶内变形，变形量较小）

第二节塑性变形对金属组织和性能的影响1、金属的加工硬化（冷变形强化）组织变化：晶粒沿最大变形方向伸长；滑移面附

近晶格产生扭曲；出现许多微小碎晶。性能变化：强度和硬度增加；塑性、韧性下降优点：强化金属，发挥金属材料性能潜力，尤其适合于不能用热处理强化的合金缺点：继续塑性成形或切削加工难度加大，增大内应力

2、回复和再结晶

(1)回复：回复温度约为（0.25～0.30）T熔，

回复使晶格扭曲减轻或消除，使制件保持较高的强度且降低脆性。

(2)再结晶：再结晶温度一般为0.4T熔以上，塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为等轴细晶。

再结晶完全消除加工硬化现象。

3、金属的冷变形、热变形

冷变形:

在再结晶温度以下进行的塑性成形，变形过程中

会出现加工硬化。有利于提高金属的强度和表面质量,用于制造半成

品或成品。(变形材料应有较好的塑性且变形量不

宜过大）

热变形:

在再结晶温度以上进行的塑性成形，变形过程中既有加工硬化又有再结晶，且硬化被再结晶完全消除。综合力学性能好,变形力小，变形程度大,用于毛坯

或半成品的制造。

为使再结晶迅速、彻底，实用热成形温度远高于再

结晶温度。

4、纤维组织

1）锻造比：锻造时变形程度的一种表示方法拔长时：镦粗时：

随着锻造比的增加，金属的力学性能显著变化结构钢钢锭的锻造比一般为2～4，各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1～1.3

2）纤维组织金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布；（冷变形时拉长的晶粒）造成金属材料在力学性能的方向性。

纤维组织影响：工作时的最大正应力方向与纤维方向一致，切应力方向与纤维方向垂直；

纤维组织沿零件轮廓分布而不被切断

第三节金属的可锻性

常用塑性和变形抗力综合衡量

2．加工条件

变形温度：原子热运动能力

应变速率：变形分布、热

效应、变形惯性

应力状态：压应力的影响

1．金属的本质

化学成分；越纯越好

金属组织；均匀、细晶最好

第二章锻造

锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。

第一节自由锻方法及工艺

一、自由锻定义：只用简单的通用性工具使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量锻件的加工方法

自由锻时，金属只有部分表面受到工具限制，其余则为自由表面。

设备：空气锤、蒸气—空气自由锻锤、液压机等

变形特点：局部成形、效果叠加生产特点：设备通用性好、工具简单；锻件组织细密、力学性能好；操作技术要求高，生产效率低；锻件形状较简单、加工余量大、精度低。

应用:小型锻件以成形为主；

大型锻件（尤其是重要件）和特殊钢则以

改善内部质量为主。

主要用于单件、小批生产，且是特大型锻

件唯一的生产方法。自由锻工序基本工序：变形量较大的改变坯料形状和

尺寸，实现锻件基本成形的工序辅助工序：为便于实施基本工序而预先使

坯料产生少量变形的工序精整工序：基本工序之后进行的小量修

整工序自由锻件的成形都是这三种工序的组合芯轴上拔长减小空心坯料的壁厚而增加其长度，适用于锻造长筒形锻件

使坯料的壁厚减薄，内、外径同时增大的工序，适用于锻造圆环类锻件

芯轴上扩孔基本工序：镦粗拔长冲孔

弯曲

使坯料弯成一定的角度和形状的工序扭转

将坯料的一部分相对于另一部分旋转一定角度的工序

切割

分割坯料或切除锻件多余部分的工序

画法:锻件轮廓用粗实线绘出，零件基本形状用双点划线表示；锻件尺寸和公差标注于尺寸线上方，零件尺寸标注在相应锻件尺寸下方(或后方)的括弧内。二、自由锻工艺设计

1．绘制锻件图

敷料:简化锻件形状,便于锻造余量:所有面都应添加加工余量公差:数值较大

2．确定变形工序

依据锻件的结构形状进行确定（表3-1）盘块类轴杆类圆筒类圆环类弯曲类三、自由锻件的结构工艺性避免锥面或楔形避免立体相贯线

（实际上是避免自然过渡）避免肋板或凸台

采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构

自由锻件的设计应尽可能简单、平直、对称第二节模锻

定义:利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。

设备:蒸汽-空气模锻锤、锻造压力机、螺旋压力机和平锻机等。变形特点：整体成形、逐步逼近。生产特点:产品形状复杂、锻造流线分布合理、加工余量小；表面质量较好；生产率高。应用:主要用于中、小型件的成批、大量生产。一、锤上模锻

在各种模锻锤上进行的模锻

工艺适应性强，可用于多种变形工步；锤击力及行程可变动，可锻造多种类型的锻件，设备费用较低。工作时振动和噪音大，生产效率较低。锤模锻是我国应用最多的一种模锻方法。

锤模锻时，金属的变形是在模具的各个模膛中依次完成的，在每个模膛中的锻打变形称为一个工步。

锤模锻工艺设计1．锻件图绘制(1)确定分模面

保证取出利于发现错移利于金属充填尽量减少余块

尽量采用平面

(4)确定机械加工余量和锻件公差

凡需切削加工的表面均应有机械加工余量，所有配合尺寸均应给出锻造公差

。

单边余量一般为1～4mm，偏差值一般为±1～±3mm，锻锤吨位小时取较小值。

(2)确定模锻斜度锻件上垂直于分模面的表面需带一定斜度外壁斜度通常为5°～7°，

内壁斜度通常为7°～10°。图3-27(3)确定圆角半径锻件上的转角处须采用圆角，凸圆角半径为r

，凹圆角半径为R=(2～3)r

齿轮锻件图

未注公差：

水平+1.75

-1.75

高度+1.5

-0.75

未注圆角：R2.5(5)

确定冲孔连皮窄槽、小孔和妨碍锻件取出的横向孔需要锻出的孔内须留冲孔连皮。连皮厚度通常为4～8mm，孔径大时取较大值。常用的连皮类型如图。

2．模锻工步选择主要根据模锻方法和模锻件的结构形状确定

盘类：镦粗、（预锻）、

终锻直轴类：拔长、滚压、（预锻）、终锻

弯轴类：拔长、滚压、弯曲、（预锻）、终锻3．修整工序切边：通常用热切边

(2)冲连皮：一般和切边同时进行

(3)校正：提高锻件形状精度

(4)热处理和清理：正火或退火清除锻件表面缺陷或氧化皮

4．模锻件的结构工艺性

应有合理的分模面

(2)应有合适的结构斜度和圆角

(3)避免高肋、薄壁、细深孔及多孔结构(4)采用锻-焊、锻-螺纹连接等组合结构

四、胎模锻

在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的锻造方法。

模具简单，工艺灵活；可锻出各类锻件且可进行无飞边模锻；可锻出有侧向凹档或无模锻斜度的锻件。劳动强度大，模具寿命低、生产效率低，常需多次加热且锻件表面质量较差。多在无模锻设备时采用，用于锻件的中、小批量生产。简图1简图2胎模锻工艺示例：第三章板料冲压

使板料经分离或变形而得到制件的工艺统称。通常在冷态下（室温）进行，称冷冲压。

冲压件轻、薄、刚度好，形状可较复杂；质量稳定，表面光洁；操作简便，生产率和材料利用率高；需专用设备和模具，生产批量小时不够经济。制造各种尺寸和精度的制件。

大部分板材、管材及型材需通过冲压加工。

第一节分离工序

利用冲模使板料沿封闭或不封闭的轮廓线与坯料分离一、落料和冲孔

1、冲裁变形过程：

弹性变形塑性变形剪裂分离

冲裁可直接生产具有一定平面形状的零件或为其它冲压工序准备毛坯。2、凸、凹模间隙：凹模与凸模工作部分水平投影尺寸之差，用符号c表示小间隙中等间隙大间隙单边间隙——板料厚度——与板料性能及厚度有关的系数3、凸、凹模刃口尺寸的确定1．冲裁件断面都带有锥度光亮带是测量和使用部位，落料件的光亮带处于大端尺寸，冲孔件的光亮带处于小端尺寸；且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。2．凸模轮廓越磨越小，凹模轮廓越磨越大，结果使间隙越用越大。

根据冲模在使用过程中的磨损规律：

设计落料模时，先确定凹模基本尺寸且应取接近或等于工件的最小极限尺寸；设计冲孔模时，先确定凸模基本尺寸且取接近或等于工件孔的最大极限尺寸。模具磨损预留量与工件制造精度有关。4、冲裁件排样：冲裁件在板料或带料上的布置方法

合理的排样有利于简化模具结构、提高材料利用率和冲裁件质量，且操作方便、生产率高。二、修整

当冲裁件剪断面用作工作表面或配合表面时，常采用整修、挤光、精密冲裁等工艺以提高冲裁件质量。

外缘整修挤光精密冲裁第二节变形工序

一、拉深

使板料（或浅的空心坯）成形为空心件（或深的空心件）而厚度基本不变的加工方法。

1、拉深过程：将直径D0的平板坯料拉深成高度h、直径d的制件时，坯料凸缘部分的扇形单元经切向压缩和径向拉长而逐渐变形为筒壁上的长方形单元。

2、拉深中的废品

(2)凸、凹模间隙：

拉深模具中凸凹模之间的单边径向间隙

c值一般取(1.1～1.2)δ(1)凸、凹模圆角半径：

对钢类拉深件

r凹

=

10δ

r凸=(0.6~1)r凹

(3)拉深系数：

拉深变形后制件直径与其毛坯直径之比

m=

d/D0。

m值越小，板料的变形程度就越大，越易拉裂。保证不拉裂的拉深系数最小值称为极限拉深系数。无凸缘筒形件拉深时的极限拉深系数一般为0.5～0.8。

坯料相对厚度h/D0较大时取较小值。多次拉深时，后续各次拉深的极限拉深系数应取较大值。

(4)拉深缺陷

1）拉裂：拉深时,筒壁与底部的转角处破裂的现象

防裂措施：控制拉深系数（多次拉)

加大凸、凹模圆角加大拉深间隙加强润滑

2）起皱：相对厚度较小时，毛坯失稳形成折皱的现象防皱措施：采用压边装置拉深间隙不应过大拉深系数不应过小二、弯曲

(1)弯曲变形过程：变形区外侧受拉，内侧受压，越接近表面，应力越大。当应力达到屈服强度时，出现塑性变形，并由内、外两侧向中心扩展，最终达到塑性弯曲。

(2)最小弯曲半径：坯料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时内表面的弯曲半径。

材料的塑性越好，rmin

值越小；弯曲线与材料纤维方向垂直时的rmin

值较平行时的rmin

值小。低碳钢板的rmin值一般为(0.2～1.2)δ，碳含量较低或弯曲线与板料纤维方向垂直时取较小值。

(3)回弹：外载荷去除后，形状和尺寸发生与加载时变形方向相反的变化，从而消去一部分弯曲变形效果的现象称为回弹。卸载后的回弹Δα＝α-α’回弹造成的形状、尺寸变化是弯曲的主要缺陷。

三、其它冲压成形工艺

缩口：将管件或空心制件的端部径向尺寸缩小压筋：在产品表面上获得各种形状的凸起与凹陷翻边：在板料上冲制出竖直边缘的成形方法

胀形：使板料或空心坯料局部尺寸增大

实用冲压件随形状的不同，往往需多种工艺方法配合使用。

4．冲压工序选择

(1)工序类型：根据冲压件的形状、尺寸等确定

（冲孔）、落料、（切口）、（起伏）

落料、弯曲、（冲孔）落料、拉深、（冲孔）

落料、拉深、胀形

落料、冲孔、翻孔

落料、拉深、冲底孔、翻边

(2)工序顺序：根据零件的结构形状和模具类型确定